钛及钛合金的新型多级深度热还原技术

提出了“多级深度热还原”的理念,即镁/铝热自蔓延-多级深度还原制备钛及钛合金技术,利用该技术成功制备出纯度为99.69%的高纯还原钛粉,氧含量<0.15%的Ti6Al4V合金粉;制备出20 kg级的TiAl合金铸锭,其Ti/Al原子比为1∶1,氧含量为0.09%。该研究成果已在山东淄博傅山企业集团推广应用,所建成的200 t/a钛粉生产线于2019年12月全线贯通投产。实践证明,该技术有效解决了传统金属热还原无法彻底还原TiO 2直接制备钛及钛合金的难题,可使钛材生产成本降低30%左右,为钛材低成本清洁制备与应用奠定了工业化基础。     

生物医用Ti6Al4V合金粉末注射成形工艺研究

钛及钛合金具有高比强度、低弹性模量、优良的耐蚀性和绝佳的生物相容性,但较差的加工性能大大限制了其应用范围。钛及钛合金金属粉末注射成形工艺克服了机加工、模压等传统加工工艺的缺点,结合传统粉末冶金和注塑成型的优势,实现了结构复杂的钛及钛合金产品低成本、大批量近净成形,提高了材料利用率。本文利用水溶性黏结剂和粉末粒度为16 μm和22 μm的商用球形Ti6Al4V合金粉制备了注射料和相应的试样,通过实验确定了气氛热脱黏结合真空烧结的最佳工艺,基于该工艺制备得到了两种注射料的烧结试样。结果表明:粉末粒度为16 μm注射料烧结件杂质含量未能满足外科植入用金属注射成形Ti6Al4V组件标准;粉末粒度为22 μm注射料烧结件物理化学性能如下,极限拉伸强度880 MPa,屈服强度830 MPa,延伸率13.2%,相对密度96.8%,氧质量分数为0.195%,氮质量分数为0.020%,碳质量分数为0.022%,该试样整体性能满足外科植入用金属注射成形Ti6Al4V组件标准。     

钛渣电铝热还原一步合成Ti-Al-xFe-ySi多元合金热力学分析

从理论上分析了钛渣铝热还原制备Ti-Al-xFe-ySi多元合金的可行性,计算并分析了钛渣中金属氧化物与铝还原过程中可能的化学反应,讨论了钛渣中氧化物还原反应顺序的优先程度。结果表明,钛渣铝热还原制备钛铝基多元合金是可行的。从热力学分析了制备的合金中可能出现的二元合金相,主要为Ti5Si3、TiAl3和TiFe,其中Ti5Si3最易生成,研究结果较好地满足了热力学分析结果,制备的合金主要物相为Al2.68Mn0.32Ti和Al3Ti0.75Fe0.25,还有少量的TiFe和Ti3SiC2相。     

一种高热稳定性等轴纳米晶Ti6Al4V-Cr合金及其制备方法

本发明涉及钛合金材料领域,具体为一种高热稳定性等轴纳米晶Ti6Al4V-Cr合金及其制备方法。该钛合金的化学成分(质量分数,%)如下:Al 5.0～7.0,V 3.0～5.0,Cr 0.01～6.5,余量为Ti。该钛合金的制备方法如下:首先,Ti6Al4V-Cr合金在950℃以上保温一段时间后,快速冷却至室温以获得纳米板条前驱体;随后在温度为650～850℃,应变速率为0.1～5 s-1的范围内对纳米板条前驱体钛合金进行热变形,总应变量大于等于70%,使纳米板条前驱体转变为等轴纳米晶结构。本发明所制备的高热稳定性纳米晶Ti6Al4V-Cr合金具有优异的综合力学性能,可广泛应用于航空航天、生物医疗、石油化工、汽车工业和海洋工程等诸多领域。     

发动机用石墨烯表面镀Cu增强钛基复合材料的制备及力学性能

通过微波烧结法制备石墨烯(GNPs)表面镀Cu增强钛基(Ti6Al4V)复合材料,探讨石墨烯表面镀Cu后对钛基复合材料显微组织和力学性能的影响。结果表明:石墨烯表面成功镀覆一层较均匀分布的Cu颗粒;石墨烯与基体Ti界面反应严重,容易生成粒径为2~5μm的TiC,石墨烯表面镀Cu后,界面反应产生的TiC含量更多,同时生成了Ti_2Cu相;相比于单纯外加石墨烯,石墨烯表面镀Cu后,提高了复合材料的力学性能,其相对密度、显微硬度、抗压强度分别达到95.48%、468 HV_(0.1)、1 406 MPa;室温磨损机制由基体(Ti6Al4V)的磨粒磨损转变为GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的黏着磨损。     

电铝热还原电炉钛渣制备Ti-Al-xFe-ySi合金

利用攀枝花产的电炉钛渣铝热还原一步合成Ti-Al-xFe-ySi多元合金,探索CaO对渣金分离、合金收率及钛收率的影响。当CaO/Al=1.1时,制备的熔渣主要生成了低熔点Al_2O_3·CaO和7Al_2O_3·12CaO相,渣金分离效果最好。合金收率达到62%,Ti收率达到92%,合金中氧含量仅为1.32%。制备的合金主要物相为TiAl_3、TiAl相,而渣中还原出来的Fe替代了TiAl3中的部分Ti形成了Al_3Ti_(0.75)Fe_(0.25)物相,而Si主要与合金中的Ti结合生成了Ti5Si3相,合金中还含有少量的碳与TiAl和TiSi相形成了Ti_3SiC_2和Ti_2AlC新相。     

典型含钛超纯铁素体不锈钢冶炼-连铸过程夹杂物衍变研究

通过热力学分析、扫描电镜和EDS能谱分析等方法,系统研究了一种典型含钛超纯铁素体不锈钢（/%:≤0.01C,17.5～18.5Cr,0.40～0.55Nb,0.10～0.25Ti）80 t K-OBM-S-VOD-LF-200 mm×1 240 mm CCM过程夹杂物的衍变。结果表明,VOD还原期采用Si-Al复合脱氧,夹杂物类型以Al2O3-CaO-SiO2-MgO和Al2O3-CaO-MgO为主,钛合金化后夹杂物转变为Al2O3-CaO-TiOx-MgO,由于此类夹杂物熔点高、尺寸大,且很难通过钙处理变性,容易聚集造成水口堵塞。通过提高铝钛比至0.11以上,降低钛合金化前钢中全氧含量至25×10-6以下,使用纯净的钛铁合金可以避免形成大尺寸的含TiOx夹杂物。     

提高00Cr12Ti铁素体不锈钢钛回收率的工艺实践

00Cr12Ti超低碳铁素体不锈钢(%:≤0.030C、10.50～11.75Cr、6×C～0.75Ti)由90 t K-OBM-S转炉-90 t VOD-90 t LF-CC工艺冶炼。生产实践表明,随钢中自由氧含量(5～10)×10^-6和吹氩搅拌时间(1～12 min)增加,钛的收得率降低;LF喂钛线时钛的收得率高于VOD过程加块状钛合金;控制钢中全氧含量≤35×10^-6,自由氧含量≤6×10^-6,VOD过程(Cr₂O₃+FeO+MnO)≤1%,搅拌时间5～10 min,氩气流量50～80 L/min,用LF喂钛线工艺,可使钛的收得率达60%～75%。     

Timetal 5111和Timetal 5111 0.05Pd钛合金

Timetal5111合金是80年代末期由Timet与美国海军共同开发研制的近a型钛合金。合金成分为：Ti－5Al－1Zr－1Sn－1V－0．8Mo－0．1Si。合金的突出特点是良好的断裂韧性及抗应力腐蚀性能,应力腐蚀危险比,该性能指标优于船用钛合金48－OT3（Ti－4AI－0．005B）,相当于Ti－6211（Ti－6Al－2Nb－1Ta－0．8Mo）;冲击韧性大约为Ti－6Al－4V的3倍;易焊接,可进行大型材的焊接。该合金强度略低于Ti－6Al－4V,延性略高于Ti－6Al－4V,σb＝750MPa～800MPa,s≥13％,但通过调整氧含量可使强度达到Ti－6Al－4V的水平。目前可生产重…     

元素粉末冶金方法制备TiAl基合金

详细介绍了采用元素粉末冶金方法制备TiAl基合金的机理、工艺方法及材料性能,元素Ti,Al粉末在一定温度下的反应合成主要由扩散控制,包括产生TiAl_3相和TiAl_2相的中间化过程,元素粉末冶金TiAl合金的工艺方法有元素粉末Ti,Al的反应烧结、热压或热等静压,热爆合成,元素TiAl箔片的反应合成等,采用这些方法制备的TiAl基合金具有均匀、细小的组织,但其力学性能受氧含量及孔隙的严重影响。     

低成本高性能粉末冶金钛合金

粉末冶金是短流程制备低成本、高性能钛及钛合金的有效方法。低成本氢化脱氢（HDH）钛粉可用于制备粉末冶金钛合金制件，但由于受间隙原子含量高、烧结致密度低和微观组织粗大等因素影响，使粉末冶金钛制品的组织性能优势得不到发挥。实验采用氢化脱氢钛粉—冷等静压—真空烧结的技术路线制备了Ti-6Al-4V烧结坯，间隙原子含量低（O<0.16 wt.%, N<0.05 wt.%, H<0.015 wt.%），具有均匀细小的近等轴?组织，良好的室温拉伸性能（UTS>930 MPa, YS>870 MPa, El>14%）。实验同时表明了HDH工艺制备低间隙原子含量钛粉的可行性，间隙原子含量的增加主要源于粉末及压坯的操作、转移和储存过程。得益于粉末冶金钛合金的细晶和近终成形特点，它无需通过开坯锻造，并且近成型的烧结坯能够提高材料利用率，减少后续热加工变形量及加工道次。因此，以粉末钛合金烧结坯替代锻坯进行后续的塑性加工能够大幅度降低钛合金构件及型材的成本。     

Review of effect of oxygen on room temperature ductility of titanium and titanium alloys

Abstract

Room temperature tensile ductility is an important property of titanium (Ti) and titanium alloys for structural applications. This article reviews the dependency of tensile ductility on oxygen for α-Ti, (α+β)-Ti and β-Ti alloys fabricated via traditional ingot metallurgy (IM), powder metallurgy (PM) and additive manufacturing (AM) or three-dimensional printing methods and recent advances in understanding the effect of oxygen on ductility. Seven mechanisms have been discussed based on case studies of individual titanium materials reported in literature. The dependency of ductility on oxygen is determined by both the composition and microstructure of the titanium alloy. For Ti–6Al–4V (wt-%), as sintered Ti–6Al–4V shows a critical oxygen level of about 0·33 wt-% while additively manufactured Ti–6Al–4V exhibits different critical levels ranging from about 0·22% to well above 0·4% depending on microstructure. Rare earth (RE) elements are effective scavengers of oxygen in titanium materials even just with a small addition (e.g. 0·1 wt-%), irrespective of the manufacturing method (IM, PM and AM). High cycle fatigue experiments revealed no initiation of fatigue cracks from the resulting RE oxide particles over the size range from submicrometres to a few micrometres. A small addition of RE elements offers a practical and affordable approach to mitigating the detrimental effect of oxygen on ductility.     

Thermodynamics of oxygen solutions in nickel melts containing aluminum and titanium

Thermodynamic analysis of oxygen solutions in nickel melt shows that, as aluminum and titanium are added to the melt, the solubility of oxygen decreases. However, after reaching 0.205% Al and 0.565% Ti, the oxygen concentration in the melt begins to rise with increase in the Al and Ti content. The minimum oxygen concentrations in the reduction of nickel melt by aluminum (1.44 × 10^–4% O) and titanium (2.98 × 10^–4% O) are determined. On that basis, we may propose the optimal approach to alloying nickel melts with aluminum and titanium. First, the melt is reduced by adding sufficient aluminum to minimize the oxygen concentration in the melt (~0.2% Al). Then the oxide formed is removed, so as to prevent repeated oxidation of the melt. Finally, the melt is alloyed with aluminum and titanium to obtain the required alloy composition.     

基于转底炉直接还原工艺的钒钛磁铁矿综合利用试验研究

通过大量试验研究,提出了＂钒钛磁铁矿转底炉直接还原—电炉深还原—含钒铁水提钒—含钛炉渣提钛＂工艺流程。铁、钒、钛元素回收率分别达到90.77%、43.82%和72.65%。通过试验室和工业试验研究,解决了钒钛磁铁矿直接还原金属化率低、电炉深还原钒还原率低、高硅铁水提钒、高镁铝含钛炉渣提钛等技术难题,获得了直接还原金属化率大于90%,电炉深还原钒还原率大于80%,钒渣提钒钒回收率大于65%,钛渣提钛钛回收率大于75%的良好效果,分别获得了符合电炉炼钢要求的低碳生铁、符合YB/T5304-2006要求的片状V2O5和达到PTA121质量要求的钛白产品。     

钛白粉直接合金化制备钛铝合金理论及工艺研究

对铝热还原工艺制备钛铝合金的热力学进行计算与分析,探索了配石灰系数(即理论用量的倍数)及单位热效应对钛收率的影响,并分析了配铝系数对合金中钛和铝的影响以及影响钛铝合金中氧含量的因素。结果表明,最佳工艺参数为:配石灰系数0.9,单位热效应2 850kJ/kg。     

帘线钢中钛夹杂的控制

为了控制帘线钢中的钛夹杂,要同时降低钢水中的w(Ti)及w(N)。通过采用低钛合金、优化转炉出钢工艺、控制转炉下渣量等措施控制钢水中的w(Ti);采用低氮增碳剂,优化全工序降氮操作等措施降低钢水中的w(N)。实践表明:当钢中w(Ti)控制在不大于0.000 4%,w(N)控制在不大于0.004%时,能显著降低甚至杜绝钛夹杂的析出。     

氯化钠-硫氰酸钾-正丙醇体系析相萃取分离和富集钛

研究了正丙醇-硫氰酸钾-水体系析相萃取分离和富集Ti的行为及与一些金属离子分离的条件。结果表明, 氯化钠能使正丙醇的水溶液分成两相,在分相过程中, Ti和硫氢化钾生成的Ti(SCN)₆^2-与质子化正丙醇C₃H₇OH₂⁺ 形成的缔合物［Ti(SCN)₆^2-］［C₃H₇OH₂⁺］₂能被正丙醇相完全萃取。当正丙醇、硫氰酸钾和氯化钠的浓度分别为30%（V/V)、8.0×10^-2 mol/L和0.17 g/mL时, Ti的萃取率达到98.9%以上,V、Ce、Mg、Mn、Cd、Cr、Al、Fe、Zn、Ni、Ag 和 W不被萃取,实现了Ti与上述金属离子的分离。对合成水样中的钛进行分离和测定, 结果满意。     

Synthesis of Alloy Ti ― 6Al ― 4V with Low Residual Porosity by a Powder Metallurgy Method

The possibility of producing titanium alloy Ti 6Al 4V with minimal residual porosity from mixtures of elemental powders by the method of pressing and sintering without hot deformation during or after sintering was investigated. Various powder mixtures based on titanium and titanium hydride with alloying additions of either elemental powders having different particle sizes, or master alloys, were studied. It was shown that the synthesis of Ti 6Al 4V from mixtures of titanium hydride and master alloys is optimal with respect to the attainment of high relative density. In this case the sintered material has density up to 99%, homogeneous microstructure with relatively small (100-120 m) -phase grains, and a low concentration of impurities, in particular oxygen, which provide a high level of mechanical properties (_ten = 970 MPa, = 6%).